大模型越來越大，通用能力越來越強，但一遇到數(shù)學(xué)、科學(xué)、邏輯這類復(fù)雜問題，還是常“翻車”。

為破解這一痛點，華為諾亞方舟實驗室提出全新高階推理框架 ——思維森林（Forest-of-Thought，F(xiàn)oT）。

該方法借鑒人類“多角度思考、反復(fù)驗證”的認知方式，打破傳統(tǒng)LLM的線性推理范式，通過構(gòu)建多棵并行推理樹，引入動態(tài)自我修正機制與多視角共識決策策略。

論文將在7月份召開的ICML 2025大會上發(fā)表和開源。

在此基礎(chǔ)上，F(xiàn)oT在多個數(shù)學(xué)推理任務(wù)中表現(xiàn)突出，進一步展現(xiàn)了FoT相較于ToT（Tree-of-Thought）更優(yōu)的推理能力。

具體而言，在GSM8K數(shù)據(jù)集上，結(jié)合FoT的QwQ-32B模型準確率高達97.33%，超過了GPT-4o和rStar-Math等先進模型；在更具挑戰(zhàn)性的AIME 2024測試中，更是將準確率提升至53.33%，較對比方法rStar-Math高出6.66%。

思維森林：讓大模型像人一樣“思維分叉+自我反省”

盡管LLM在語言理解、問答等任務(wù)中表現(xiàn)出色，但在數(shù)學(xué)和邏輯等需要多步嚴謹推理的場景中，仍然存在明顯短板：

• 常陷入“單路徑”慣性，缺乏反思與嘗試其他思路的能力；
• 中間步驟易出錯，且錯誤難以自我糾正；
• 無法有效整合多種解法來做集體判斷，缺乏“共識感知”。

思維森林FoT框架的核心靈感來自人類解決復(fù)雜問題的過程：頭腦風(fēng)暴 → 多路徑探索 → 錯誤回溯 → 決策投票。

FoT模型在推理時并行構(gòu)建多棵推理樹，每棵樹探索一種潛在思路，并引入三個關(guān)鍵機制：

稀疏激活（Sparse Activation）

在傳統(tǒng)的多路徑推理中，雖然激活所有可能路徑可以提升覆蓋率，但也帶來了指數(shù)級的計算開銷。

FoT引入了稀疏激活策略，其核心思想是在每一層推理過程中，依據(jù)節(jié)點輸出的置信度進行評分，僅保留得分最高的少量節(jié)點用于后續(xù)擴展。

該機制顯著減少了每層的推理分支數(shù)量，提升了每棵推理樹的邏輯集中度和計算效率。

動態(tài)自校正（Dynamic Self-Correction）

FoT中每棵推理樹在成長過程中，具備對自身推理狀態(tài)的“反省”與“重構(gòu)”能力。

該模塊檢測推理路徑中可能出現(xiàn)的偏差（回答不斷重復(fù)等）時自動觸發(fā)自我反思，提高模型在復(fù)雜任務(wù)（如數(shù)學(xué)推導(dǎo)、科學(xué)多跳問答）中的魯棒性。

共識引導(dǎo)決策（Consensus-Guided Evaluation and Decision）

FoT的最終輸出不僅依賴于某一條推理路徑，而是融合多棵推理樹的候選答案，通過集體投票與專家評分機制共同完成決策。具體流程如下：

每棵推理樹在獨立推理后都會生成一個候選答案。

CGED首先嘗試從中識別出多數(shù)一致性結(jié)果（如超過半數(shù)樹提出相同答案）。若存在明確的多數(shù)共識，則直接采用該答案作為最終輸出。

若不存在明顯的一致性（如每棵樹的結(jié)論差異較大），則系統(tǒng)將調(diào)用一個預(yù)先訓(xùn)練好的LLM專家模型對所有候選答案進行質(zhì)量評估，從中選擇最優(yōu)解。

該評分模型可基于答案的邏輯連貫性、對問題的契合度、生成路徑的可靠性等多維指標綜合判斷，確保最終輸出具備較高的可信度與可解釋性。

這一機制有效結(jié)合了“集體智慧”與“專家審閱”，提升了模型在不確定場景下的決策穩(wěn)定性，特別適用于開放式問答、科學(xué)推理與法律場景等對輸出可靠性要求較高的任務(wù)。

實驗亮點：比思維樹更強、更穩(wěn)、更聰明

在GSM8K、MATH等經(jīng)典推理任務(wù)中，F(xiàn)oT顯示出超越ToT的表現(xiàn)：

在24點游戲任務(wù)中，F(xiàn)oT增加樹數(shù)即可提升14%準確率，明顯優(yōu)于ToT通過葉子節(jié)點數(shù)量擴展的方式。

在GSM8K數(shù)學(xué)問答上，F(xiàn)oT與LLaMA3、Mistral、GLM等多個主流開源模型兼容，樹數(shù)越多，性能提升越明顯，呈現(xiàn)全新的推理scaling law曲線。

在MATH數(shù)據(jù)集全等級上，F(xiàn)oT推理準確率穩(wěn)定提升，即使面對最復(fù)雜的問題也能保持優(yōu)勢。

總結(jié)：從更聰明，到更可信

FOT是一種面向大語言模型的推理增強框架，通過引入多路徑探索、動態(tài)自我校正和共識決策機制，提升模型在復(fù)雜任務(wù)中的推理準確性、容錯性和泛化能力。

不僅如此，該方法旨在緩解傳統(tǒng)大模型在高階推理場景中的局限，為結(jié)構(gòu)化、可解釋的推理提供支持，具有在金融風(fēng)控、法律分析、科研輔助、醫(yī)療診斷等領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

論文鏈接：https://arxiv.org/abs/2412.09078

項目地址：https://github.com/iamhankai/Forest-of-Thought